CN108663949A - 一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，包括simulink仿真模拟***、dspace控制器***和实物***；所述dspace控制器***包括总线、D/A转换器和A/D转换器，所述总线的输出端与D/A转换器的输入端连接，所述A/D转换器的输出端与总线的输入端连接，且所述simulink仿真模拟***的输出端与总线的输入端连接；所述D/A转换器的输出端与实物***的输入端连接，所述实物***的输出端与A/D转换器的输入端连接。本发明的优点在于：本发明能够有效解决由于当前纯实物调试困难且成本高昂，且采用实际控制器不能方便快捷的对控制策略进行调整，可移植性和可拓展性较差的问题。
Description
技术领域
本发明属于岸电***仿真领域技术领域，特别涉及一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台。
背景技术
随着海运行业的大力发展，国际海事组织在船舶排放方面的要求越来越高，岸电技术以其污染小、无噪声、成本低的特点成为了建立绿色港口的关键技术之一。然而在传统的研发过程中，尽管实物的测试调试十分必要，但岸电***尤其是高压岸电***现场调试十分困难且成本高昂。因此在实验室条件下对岸电***进行仿真研究成为了研究岸电***的重要方式。
Dspace与Matlab/simulink连接搭建的半实物仿真平台具有真实性、实时性等特点。因此在实验室条件下搭建一套基于dspace的船舶岸电一体化仿真平台以供岸电技术开发与研究，并在此平台上进行对岸电***的故障诊断以及安全评估等问题的研究就显得十分必要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，能够有效解决由于当前纯实物调试困难且成本高昂，且采用实际控制器不能方便快捷的对控制策略进行调整，可移植性和可拓展性较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，其创新点在于：包括simulink仿真模拟***、dspace控制器***和实物***；
所述dspace控制器***包括总线、D/A转换器和A/D转换器，所述总线分别与D/A转换器和A/D转换器连接，且所述simulink仿真模拟***与总线连接；
所述D/A转换器与实物***连接，所述实物***还与A/D转换器连接。
进一步地，所述simulink仿真模拟***包括变频器控制模块、柴油发电机控制模块和船舶负载控制模块。
进一步地，所述simulink仿真模拟***还包括监控***模块，所述监控***模块与总线连接。
进一步地，所述实物***包括变频器、柴油发电机和船电负载装置。
本发明的优点在于：本发明基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，能够准确的模拟岸电***电网变化、变流器及其控制***、滤波器及功率补偿装置、柴油发电机的输出特性和负载等模型；同时该平台可以对岸电***的故障进行诊断，对整个***的安全状态进行评估，还可以对船舶入离港的无缝并网过程进行模拟。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台的 结构示意图。
图2为变频器模型的组成结构和连接关系示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例
本实施例基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，如图1所示，包括simulink仿真模拟***1、dspace控制器***2和实物***3。
simulink仿真模拟***1包括变频器控制模块11、柴油发电机控制模块12、船舶负载控制模块13和监控***模块14。
dspace控制器***2包括总线21、D/A转换器22和A/D转换器23，总线21的输出端与D/A转换器22的输入端连接， A/D转换器23的输出端与总线21的输入端连接，且simulink仿真模拟***1中的变频器控制模块11、柴油发电机控制模块12和船舶负载控制模块13输出端均与总线21的输入端连接，监控***模块14的输入端与总线21的输出端连接。用于将simulink仿真模拟***1中的控制算法生成代码写入dspace控制器***2，以及将采集到的数据从dpsace控制器***2中发送到simulink仿真模拟***1中监控***模块14。
实物***3包括变频器31、柴油发电机32和船电负载装置33，实物***3包括变频器31、柴油发电机32和船电负载装置33的输入端均与D/A转换器22的输出端连接，实物***3包括变频器31、柴油发电机32和船电负载装置33的输出端均与A/D转换器23的输入端连接。
本实施例变频器控制器采用电压电流环双闭环控制，通过从实物***3采样得到的电压信号以及电流信号对变频器31进行调整，使得变频器31输出符合要求的电压电流信号。
柴油发电机控制器通过对柴油发电机32的原动机以及励磁***建立数学模型，将从实物***3采样到的转速信号输入原动机数学模型中，将从实物***3采样到的电压电流信号进行解耦并输入到励磁***的数学模型中，以此调解柴油发电机32的转速以及输出电压。
船电负载控制器采用矢量控制的方法，将从实物***采样到的定子电压电流信号输入控制器中，实现对船电负载装置33转速和磁链的调整。
实施例中，监控***模块14，采用支持向量机的方法通过将各个元器件的历史数据作为样本，提取各个器件的特征量，形成故障特征库，再将采集到的各个单元模块器件的实时监控数据与故障库进行对比，从而完成对电源、变压器、变频器等器件的故障诊断，以及对整个***的安全评估。
dpsace控制器***2中D/A转换器22发出变频器的PWM脉冲信号、柴油发电机的PWM脉冲信号、船电负载的PWM脉冲信号、开关信号控制实物***3运行，并根据从实物***3采集到的电压信号、电流信号和电机转速信号发送至dpsace控制器***2中A/D转换器23，对dpsace控制器***2发出的控制信号进行调整，且实物***3用于根据控制器发出的控制信号完成船舶岸电一体化***的运行。
本实施例提供的基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台是一种闭环***，***各部分均具备通讯功能，可以实现数据交互。基于实物的模拟***，具备实时性好，数据真实可信的特点。基于dspace的控制器***，可以方便快捷的修改控制策略，能够更加全面的对船舶岸电***的控制策略进行测试、修改和完善。同时通过dspace与实物连接，简化了***结构，提高了***的稳定性，且通过dspace作为控制器使***具备较高的可扩展性和可移植性。
本实施例的仿真实验***以实物***为基础，具备真实性高，稳定性好，实时性高，可靠性高等特点。采用dspace作为控制具有很高的可扩展性和可移植性，且可以方便快捷的修改控制策略，更好的完成了船舶岸电一体化半实物***的理论研究。
本实施例以变频器模型为例，提供一种具体的变频器模型的组成结构和连接关系示意图，如图2所示，A为dspace的数字量的输出端口，B为dspace的数字量输入端，C、D分别为D/A模块的数字量输入端和模拟量输出端，E、F分别为A/D模块的模拟量输入端和数字量输出端，G、H分别为实物变频器的模拟输入端口和模拟输出端口。
输入输出接口说明：
本实施例所用接口均为MricoLabBox所属接口。
MricoLabBox提供24通道，16位模拟输入通道，提供16通道，16位模拟输出通道，提供48通道双向数字IO。
MicroLabBox 是 dSPACE 设计开发的适应于实验室环境使用的高性能紧凑型低成本***，可以帮助用户方便快速地建立起自己的控制、测试以及测量环境以验证控制策略的实用性。主要用于硬件在环的半实物仿真***的搭建，实现了和MATLAB/Simulink的无缝连接，使MATLAB用户可以轻松掌握MicroLabBox的使用。
MicroLabBox具有强大的计算能力与极低的 I/O 延时相结合，提供了出色的实时性能。可编程的 FPGA 使您拥有高度的灵活性，同时允许您根据各种应用的需求高速运行控制回路，例如电动机控制或主动降噪及减振。
MicroLabBox 由综合的 dSPACE 软件包提供支持，其中包括用于 I/O 集成（基于模型）的 Simulink® Real-Time Interface (RTI) 以及实验软件 ControlDesk® ，从而允许在运行期间通过图形化仪器访问实时应用程序。
Dspace控制器***2包含两个功能：控制和通讯。其中控制部分主要是dspace控制器发出控制信号对实物***进行控制。通讯部分主要是dspace通过对实物电压电流转速等信息的采集，经过simulink算法的处理对dspace控制器发出的信号进行调整。
本实施例的dspace控制部分，包括：变频器控制部分，柴油发电机控制部分，船电负载控制部分。
以变频器控制模块11为例，dspace控制器***2的实现过程如下：
1）利用SIMULINK搭建变频器控制模块11仿真模型，验证其控制器***的正确性；
2）仅保留其控制器***模型，利用RTW（Real-Time-Workshop）将保留的模型直接生成C代码，并对I/O进行配置，用硬件接口关系代替原来的逻辑连接关系；
3）利用RTI（Real-Time-Interface）将RTW生成的C代码下载到dspace中并运行；
4）利用dspace提供的测试软件如ControlDesk、MLIB/MTRACE等实现交互操作，进行综合实验和测试。
除了对船舶岸电一体化***的控制外，dspace还集成了通讯功能，可以将实物***中的运行数据实时的发送给simulink中的监控***；即各单元模块的电压、电流等信号通过A/D模块发送给dspace，再由dspace通过串口将数据传送到simulink仿真***的监控***模块14中；监控***模块包括，对各个单元模块器件的实时数据监控，对电源、变压器、变频器等器件的故障诊断，以及对整个***的安全评估。
本实施例的船舶岸电一体化平台基于dspace、simulink和实物器件进行开发。Dspace作为控制器可以快捷的对控制策略进行修改，增加了***的灵活性和可扩展性。采用实物器件与dspace连接，增强了***的真实性和实时性，使得整个***模型更为直观易于理解。Dspace通过所述的通讯功能从实物中获取采样信号，并通过串口将数据发送给监控***，简化了***结构，使***更加稳定。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.一种基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，其特征在于：包括simulink仿真模拟***、dspace控制器***和实物***；
所述dspace控制器***包括总线、D/A转换器和A/D转换器，所述总线分别与D/A转换器和A/D转换器连接，且所述simulink仿真模拟***与总线连接；
所述D/A转换器与实物***连接，所述实物***还与A/D转换器连接。
2.根据权利要求1所述的基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，其特征在于：所述simulink仿真模拟***包括变频器控制模块、柴油发电机控制模块和船舶负载控制模块。
3.根据权利要求2所述的基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，其特征在于：所述simulink仿真模拟***还包括监控***模块，所述监控***模块与总线连接。
4.根据权利要求2所述的基于dspace的船舶岸电一体化半实物仿真平台，其特征在于：所述实物***包括变频器、柴油发电机和船电负载装置。
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